Часы реального времени

В данной статье рассматривается пример создания часов рального времени. На индикатор будет выводиться точное время, а двоеточие на нем будет моргать раз в секунду. Точное время будет автоматически устанавливаться во вермя компиляции прошивки.

В нашем проекте мы используем:

1. Arduino Uno
2. Troyka Shield
3. Четырёхразрядный цифровой индикатор
4. Часы реального времени
5. Батарейку CR1225

Мы используем модуль с часами реального времени от Seeed Studio. Они построены на базе микросхемы DS1307 от Maxim Integrated. Из элементов обвязки она требует три резистора, часовой кварц и батарейку, которые уже имеются на данном модуле. Модуль обладает следующими свойствами:

• Подсчет времени (секунды, минуты, часы), даты (год, месяц, число), дня недели
• Двухпроводной интерфейс I²C

Суть часов реального времени в том, что при наличии батарейки, они могут идти даже если основное устройство обесточено. Мы с такими часами сталкиваемся постоянно в ноутбуках или цифровых фотоаппаратах. Если достать из этих устройств аккумулятор, а через некоторое время вернуть их обратно, то время не сбросится. В этом заслуга часов реального времени, Real Time Clock (RTC).

Все необходимые библиотеки можно скачать с официального сайта.

Мы используем четырёхразрядный индикатор от Seeed Studio. Основное в индикаторе — микросхема TM1637, представляющая собой драйвер для отдельных 7-сегментных разрядов. В данном модуле используется 4 разряда. Модуль обладает следующими свойствами:

• 8 градаций яркости
• Двухпроводной интерфейс работы (CLK, DIO)

Данный модуль мы используем для показа времени: часов и минут. Удобство модуля в том, что подключается он всего по двум проводам и не требует программной реализации динамической индикации, поскольку все уже реализовано внутри модуля.

Динамическая индикация — это процесс, при котором индикаторы в нашем модуле загораются последовательно. Но мерцания мы не видим, поскольку человеческой глаз обладает большой инертностью. Данный метод позволяет очень хорошо экономить количество соединений между индикаторами и контроллером:

• Статическая индикация: 4 цифры × 7 сегментов = 28 соединений.
• Динамическая индикация: 7 сегментов + 4 общих анода или катода = 11 соединений.
• Микросхема TM1637: 2 соединения.

Выгода очевидна.

Библиотека для данного модуля также может быть скачана с сайта производителя.

Модуль часов реального времени необходимо подключить к выводам SCL/SDA, относящимся к шине I²C. Также необходимо подключить линии питания (Vcc) и земли (GND).

Линии SDA/SCL имеют собственные отдельные пины на Arduino, однако внутри они так или иначе подключены к пинам общего назначения. Если рассмотреть Arduino Uno, линии SDA соответствует пин A4, а SCL — A5.

В комплекте с модулем поставляется шлейф с мама-контактами, которые удобнее подключать к Troyka Shield. Однако отдельные пины SDA и SCL на ней не выведены, поэтому мы осуществили подключение прямо через пины A5 и A4.

В плане подключения индикатора — все гораздо проще. Выводы CLK и DIO можно подключить к любым цифровым выводам. В данном случае используются 12-й и 11-й выводы соответственно.

Функция setup должна инициализировать часы реального времени и индикатор, а также записывать время компиляции во внутреннюю память часов реального времени. Все действие, а точнее, чтение времени из RTC и вывод его на индикатор, будет производиться в функции loop.

Код для этого выглядит следующим образом:

rtc.ino

#include <Wire.h>
#include <EEPROM.h>
#include "TM1637.h"
#include "DS1307.h"
 
 
//Массив, содержащий время компиляции
char compileTime[] = __TIME__;
 
 
//Номера пинов Arduino, к которым подключается индикатор
#define DISPLAY_CLK_PIN 12  
#define DISPLAY_DIO_PIN 13
 
//Для работы с микросхемой часов и индикатором мы используем библиотеки
//Классы TM1637 и DS1307 объявлены именно в них
TM1637 display(DISPLAY_CLK_PIN, DISPLAY_DIO_PIN);
DS1307 clock;
 
 
void setup()
{
 
  //Включаем и настраиваем индикатор
  display.set();
  display.init();
 
  //Запускаем часы реального времени
  clock.begin();
 
  //Получаем число из строки, зная номер первого символа
  byte hour = getInt(compileTime, 0);
  byte minute = getInt(compileTime, 3);
  byte second = getInt(compileTime, 6);
 
  //Готовим для записи в RTC часы, минуты, секунды
  clock.fillByHMS(hour, minute, second);
 
  //Записываем эти данные во внутреннюю память часов.
  //С этого момента они начинают считать нужное для нас время
  clock.setTime();
 
}
 
 
void loop()
{
  //Значения для отображения на каждом из 4 разрядов
  int8_t timeDisp[4];
 
  //Запрашиваем время с часов
  clock.getTime();
 
  //Получаем десятки часов с помощью целочисленного деления
  timeDisp[0] = clock.hour / 10;
 
  //Получаем единицы часов с помощью остатка от деления
  timeDisp[1] = clock.hour % 10;
 
  //Проделываем то же самое с минутами
  timeDisp[2] = clock.minute / 10;
  timeDisp[3] = clock.minute % 10;
 
  //... а затем выводим его на экран
  display.display(timeDisp);
 
  //у нас нет отдельных разрядов для секунд, поэтому
  //будем включать и выключать двоеточие каждую секунду
  display.point(clock.second % 2 ? POINT_ON : POINT_OFF);
 
}
 
//Содержимое функции объяснено ниже
char getInt(const char* string, int startIndex) {
  return int(string[startIndex] - '0') * 10 + int(string[startIndex+1]) - '0';
}

Теперь загружаем этот код в среду разработки, компилируем и заливаем. Смотрим на дисплей — бинго! Время на дисплее — время компиляции.

Для начала необходимо понять, откуда же в массиве compileTime появляется время. Оно появляется в этой строчке:

unsigned char compileTime[] = __TIME__;

Компилятор вместо __TIME__ подставляет строку, содержащую время компиляции в виде __TIME__ = "hh:mm:ss", где hh - часы, mm - минуты, ss - секунды.

Вернемся к коду, который необходимо объяснить:

char getInt(const char* string, int startIndex) {
  return int(string[startIndex] - '0') * 10 + int(string[startIndex+1]) - '0';
}

В массиве string, передаваемом в качестве параметра в функцию getInt, мы получаем символ с индексом startIndex и следующий за ним, чтобы в итоге получить двухзначное целое число. Однако, изначально это не число, а пара символов. Чтобы получить число по символу, нам необходимо вычесть из этого символа символ нуля ('0'): ведь в таблице ASCII все символы цифр идут одна за другой, начиная с символа нуля. Поэтому код int(string[startIndex]) - '0'), дословно, делает следующее: «Берем символ номер startIndex, вычитаем из него символ нуля и переводим в целочисленный тип».

Да, этот код рабочий, и часы будут идти. Однако, если отключить питание, а через несколько минут включить, то после включения время время вновь станет тем, которое было при компиляции.

Это происходит потому что после включения питания, вновь исполняется код, находящийся в функции setup. А он записывает в часы реального времени старое значение времени.

Чтобы этого избежать, нам необходимо еще чуть-чуть модифицировать код. Каждый раз в функции setup будет происходить подсчет «хэша» времени компиляции — будет рассчитываться количество секунд, прошедшее с 00:00:00 до времени компиляции. И этот хэш будет сравниваться с хэшем в EEPROM. Напомним EEPROM — память, которая не обнуляется при отключении питания.

Если значения посчитанного и сохранённого ранее хэша совпадают, то это значит, что перезаписывать время в модуль часов нет необходимости: это уже было сделано. А вот если эта проверка не проходит, то происходит перезапись времени в RTC.

Для записи/чтения числа типа unsigned int в/из EEPROM написаны две дополнительные функции EEPROMWriteInt и EEPROMReadInt. Они добавлены потому что функции EEPROM.read и EEPROM.write могуть читать и писать только данные типа char.

rtc-eeprom.ino

#include <Wire.h>
#include <EEPROM.h>
#include "TM1637.h"
#include "DS1307.h"
 
//Массив, содержащий время компиляции
char compileTime[] = __TIME__;
 
//Номера пинов Arduino, к которым подключается индикатор
#define DISPLAY_CLK_PIN 12  
#define DISPLAY_DIO_PIN 13
 
//Для работы с микросхемой часов и индикатором мы используем библиотеки
TM1637 display(DISPLAY_CLK_PIN, DISPLAY_DIO_PIN);
DS1307 clock;
 
 
void setup()
{
 
  //Включаем и настраиваем индикатор
  display.set();
  display.init();
 
  //Запускаем часы реального времени
  clock.begin();
 
  //Получаем число из строки, зная номер первого символа
  byte hour = getInt(compileTime, 0);
  byte minute = getInt(compileTime, 3);
  byte second = getInt(compileTime, 6);
 
  //Импровизированный хэш времени
  //Содержит в себе количество секунд с начала дня
  unsigned int hash =  hour * 60 * 60 + minute  * 60 + second; 
 
  //Проверяем несовпадение нового хэша с хэшем в EEPROM
  if (EEPROMReadInt(0) != hash) {
 
    //Сохраняем новый хэш
    EEPROMWriteInt(0, hash);
 
    //Готовим для записи в RTC часы, минуты, секунды
    clock.fillByHMS(hour, minute, second);
 
    //Записываем эти данные во внутреннюю память часов.
    //С этого момента они начинают считать нужное для нас время
    clock.setTime();
  }
 
}
 
 
void loop()
{
  //Значения для отображения на каждом из 4 разрядов
  int8_t timeDisp[4];
 
  //Запрашиваем время с часов
  clock.getTime();
 
  //Получаем десятки часов с помощью целочисленного деления
  timeDisp[0] = clock.hour / 10;
 
  //Получаем единицы часов с помощью остатка от деления
  timeDisp[1] = clock.hour % 10;
 
  //Проделываем то же самое с минутами
  timeDisp[2] = clock.minute / 10;
  timeDisp[3] = clock.minute % 10;
 
  //... а затем выводим его на экран
  display.display(timeDisp);
 
  //у нас нет отдельных разрядов для секунд, поэтому
  //будем включать и выключать двоеточие каждую секунду
  display.point(clock.second % 2 ? POINT_ON : POINT_OFF);
 
}
 
char getInt(const char* string, int startIndex) {
  return int(string[startIndex] - '0') * 10 + int(string[startIndex+1]) - '0';
}
 
//Запись двухбайтового числа в память
void EEPROMWriteInt(int address, int value)
{
  EEPROM.write(address, lowByte(value));
  EEPROM.write(address + 1, highByte(value));
}
 
//Чтение числа из памяти
unsigned int EEPROMReadInt(int address)
{
  byte lowByte = EEPROM.read(address);
  byte highByte = EEPROM.read(address + 1);
 
  return (highByte << 8) | lowByte;
}

В данной статье был показан пример работы с микросхемой часов реального времени RTC DS1307 и микросхемой-драйвером индикатора TM1637, также мы научились получать дату и время на этапе компиляции. Теперь, если выставить нужное время на часах, а потом отключить питание хоть на несколько часов, то после включения время вновь будет точным. Проверено!